TBM洞挖料直接用于膠凝砂礫石時(shí)大、小試件強(qiáng)度相關(guān)性分析

張瑞芳 王利英 王婧紅

（1.山西省水利建筑工程局有限公司 山西太原030006；2.河北工程大學(xué)水利水電學(xué)院 河北邯鄲056038）

1 概述

我國(guó)TBM 掘進(jìn)法開挖隧洞已在道路、水利、市政等隧洞工程中得到廣泛應(yīng)用。開挖隧洞產(chǎn)生大量洞挖料，因各種因素制約大多數(shù)作為廢料丟棄，不僅造成資源浪費(fèi)，而且對(duì)環(huán)境造成污染。現(xiàn)如今建筑行業(yè)天然混凝土骨料的資源越來越匱乏，而大量的開采造成環(huán)境破壞，在保護(hù)生態(tài)環(huán)境就是保護(hù)生產(chǎn)力，改善生態(tài)環(huán)境就是發(fā)展生產(chǎn)力的理念下指導(dǎo)下，大家都在尋求骨料的新來源，現(xiàn)已成熟的有再生混凝土粗細(xì)骨料，它由建（構(gòu)）筑廢物中的混凝土、砂漿、石、磚瓦等加工而成，通過檢驗(yàn)滿足國(guó)家相關(guān)要求，配制成再生混凝土應(yīng)用到建筑施工中；再有膠結(jié)顆粒料利用天然砂礫料、人工砂礫料和開挖石渣料與水泥及摻合料制成砂漿、混凝土等膠結(jié)材料用于水利工程，如山西大同守口堡水庫(kù)樞紐大壩、四川的順江堰、金雞溝用膠凝砂礫石筑壩，四川岷江犍為航電樞紐工程用膠凝砂礫石防砌筑護(hù)堤；而國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)TBM 洞挖料回收利用的研究著重于TBM 洞挖料可作為居住區(qū)的回填材料，道路和鐵路的路基材料、景觀材料、垃圾掩埋，或?qū)BM 洞挖料粒徑大于10 mm 的材料進(jìn)行破碎處理?yè)郊犹烊还橇匣蛘咚槭鳛榛炷潦褂?。本文將TBM 洞挖料直接用于膠凝砂礫石配制低強(qiáng)度混凝土，用于低強(qiáng)度大體積混凝土的回填及強(qiáng)度要求不高的工程部位，經(jīng)過大量試驗(yàn)得出，混凝土強(qiáng)度能夠滿足試配強(qiáng)度，可以變廢為寶，保護(hù)環(huán)境。

2 TBM 洞挖料直接用于膠凝砂礫石時(shí)大、小試件強(qiáng)度相關(guān)性分析的意義

因采用的TBM 洞挖料最大粒徑為120 mm，在施工過程中需要用同條件養(yǎng)護(hù)450 mm 的混凝土立方體試件的抗壓強(qiáng)度控制混凝土質(zhì)量，其試件的制作、養(yǎng)護(hù)和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)需要大量的人力和物力，操作困難，且試驗(yàn)周期長(zhǎng)，為解決這些問題，本文通過研究分析標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d 的150 mm 混凝土立方體試件與同條件養(yǎng)護(hù)450 mm 的混凝土立方體試件抗壓強(qiáng)度的相關(guān)性，得出抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線，從而用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d的150 mm 混凝土立方體試件的抗壓強(qiáng)度并配以少量大試件的驗(yàn)證，來控制混凝土質(zhì)量；通過研究分析標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d 與同條件養(yǎng)護(hù)180 d 的150 mm 混凝土立方體試件抗壓強(qiáng)度的相關(guān)性，得出抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線，用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d 抗壓強(qiáng)度推斷同條件養(yǎng)護(hù)180 d的抗壓強(qiáng)度是否滿足設(shè)計(jì)要求，既提高了檢驗(yàn)檢測(cè)效率，又在確保工程質(zhì)量的前提下加快施工進(jìn)度，從而降低工程成本。

3 四種不同水膠組合的配合比情況

3.1 混凝土的配合比試配方案

本次混凝土配合比設(shè)計(jì)方案中混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度為6.0 MPa，設(shè)計(jì)齡期為180 d，配制強(qiáng)度為8.1 MPa，保證率系數(shù)t 取值為0.840，抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差取2.5 MPa，表觀密度為2 500 kg/m3。骨料直接采用不大于120 mm的TBM 洞挖料。膠凝材料基于《膠結(jié)顆粒料筑壩技術(shù)導(dǎo)則》（SL678-2014）中規(guī)定膠凝材料用量不宜低于80 kg/m3，其中水泥熟料用量不宜低于32 kg/m3的基礎(chǔ)上，膠凝材料中水泥和粉煤灰分別采用50 kg 和40 kg、40 kg 和40 kg、30 kg 和50 kg、30 kg 和40 kg 四種組合。

3.2 試驗(yàn)原材料

1）水泥：采用山西華潤(rùn)福龍水泥有限公司生產(chǎn)的潤(rùn)豐牌P·O 42.5，檢驗(yàn)結(jié)果見表1，滿足《通用硅酸鹽水泥》（GB175-2007）中P·O 42.5 標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 水泥物理檢驗(yàn)結(jié)果

2）粉煤灰：采用侯馬市經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)佳聯(lián)環(huán)?？萍加邢薰旧a(chǎn)的粉煤灰，檢驗(yàn)結(jié)果見表2，滿足《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB/T1596-2017）中Ⅱ級(jí)灰標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 粉煤灰物理、化學(xué)檢驗(yàn)結(jié)果

3）水：試驗(yàn)室自來水：pH 值為7 左右。

4）骨料：采用山西省呂梁市臨縣地區(qū)TBM 第二標(biāo)段工程的開挖洞挖料，該石料的母巖屬于片麻巖，不會(huì)引起堿-骨料反應(yīng)，可用于制作混凝土，根據(jù)相關(guān)研究表明，TBM 開挖料的尺寸由刀具對(duì)巖石的穿透程度和刀具軌跡之間的距離所決定，而穿透程度取決于有效的TBM 推力，TBM 洞挖料趨于片狀，見圖1。本次使用的TBM 洞挖料經(jīng)篩分，其中粒徑小于5 mm 的分計(jì)篩余量平均占20.0%，5～40 mm 的分計(jì)篩余量平均占35.7%，40～120 mm 的分計(jì)篩余量平均占54.7%，而粒徑大于120 mm 的分計(jì)篩余量平均占0%，所以TBM 洞挖料全部作為骨料。檢驗(yàn)結(jié)果見表3，滿足《水工混凝土施工規(guī)程》（SL677-2014）中小于30 MPa 混凝土用骨料要求。

圖1 TBM 洞挖料圖片

表3 TBM 洞挖料中5～120 mm 粒徑檢驗(yàn)結(jié)果

3.3 四種不同水膠組合的配合比

四種不同水膠組合的配合比見表4。

表4 直接利用洞挖料四組配合比情況

4 混凝土大、小抗壓強(qiáng)度試件制作的不同

本次采用的TBM 洞挖料，最大粒徑為120 mm，混凝土抗壓強(qiáng)度試件的制作參照《膠結(jié)顆粒料筑壩技術(shù)導(dǎo)則》（SL678-2014）及《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（SL352-2006）中碾壓混凝土要求，制作150 mm 混凝土立方體時(shí)，篩除40 mm 以上的骨料，一次加料加壓振動(dòng)成型，振動(dòng)時(shí)間為VC 值的2～3 倍；制作450 mm混凝土立方體時(shí)，采用全部混凝土拌合物，混凝土拌合物分4～5 次裝入試模，用平板振搗器振動(dòng)壓實(shí)，振動(dòng)時(shí)間底層為拌合物VC 值的2 倍，上層為VC 值的2～3 倍，以表面泛漿為準(zhǔn)，拋錨后進(jìn)行下一裝料。大小試件成型后馬上進(jìn)行抹面，沿?？谀ㄆ健?/p>

5 混凝土大、小抗壓強(qiáng)度試件的養(yǎng)護(hù)條件和養(yǎng)護(hù)方法

采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的150 mm 立方體試件帶模用塑料布遮蓋，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)36 h 后拆模、編號(hào)，拆模后的試件仍放于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至試驗(yàn)齡期；采用同條件養(yǎng)護(hù)的150 mm 立方體試件帶模用塑料布遮蓋同條件養(yǎng)護(hù)3 d 后拆模、編號(hào)，拆模后的試件同條件養(yǎng)護(hù)至試驗(yàn)齡期；采用同條件養(yǎng)護(hù)的450 mm 立方體試件帶模用土工布遮蓋定期噴灑水，同條件養(yǎng)護(hù)至180 d。

6 混凝土大試件同條件養(yǎng)護(hù)180 d 抗壓強(qiáng)度，小試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d 抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)

6.1 混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)采用設(shè)備

150 mm 混凝土立方體試件抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)采用YAW4206 微機(jī)控制電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)（美特斯工業(yè)系統(tǒng)（中國(guó)）有限公司），其最大試驗(yàn)力2 000 kN，精度為試驗(yàn)力分辨力優(yōu)于10 N、試驗(yàn)力示值相對(duì)誤差±1%以內(nèi)；450 mm 混凝土立方體試件抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)由太原理工大學(xué)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)室完成，采用長(zhǎng)春試驗(yàn)機(jī)有限公司生產(chǎn)的YAW-5000 微機(jī)控制電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)，其最大試驗(yàn)力5 000 KN，精度為試驗(yàn)力示值相對(duì)誤差±1%以內(nèi)。

6.2 不同養(yǎng)護(hù)條件不同齡期下，混凝土大小試件的抗壓強(qiáng)度

混凝土大試件同條件養(yǎng)護(hù)180 d 抗壓強(qiáng)度檢驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 混凝土大試件同條件養(yǎng)護(hù)180 d 抗壓強(qiáng)度檢驗(yàn)結(jié)果

小試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d 和條件養(yǎng)護(hù)180 d 抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)結(jié)果見表6。

表6 混凝土小試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d 及同條件養(yǎng)護(hù)180d 抗壓強(qiáng)度

7 大、小試件28 d 抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析

1）配合比1 大試件（180 d）與小試件（28 d）及小試件（180 d）與小試件（28 d）的混凝土抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線圖見圖2 和圖3。

圖2 大試件180 d 與小試件28 d 抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線

圖3 小試件180 d 與小試件28 d 抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線

大試件（180 d）與小試件（28 d）的抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線：y=1.809 7x-0.506 39 相關(guān)系數(shù)：r=0.96。

小試件（180 d）與小試件（28 d）的抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線：y=1.656 39x+2.788 79 相關(guān)系數(shù)：r=0.97。

2）配合比2 大試件（180 d）與小試件（28 d）及小試件（180 d）與小試件（28 d）混凝土抗壓強(qiáng)度的關(guān)系曲線圖見圖4 和圖5。

圖4 大試件180 d 與小試件28 d 抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線

圖5 小試件180 d 與小試件28 d 抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線

大試件（180 d）與小試件（28 d）的抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線：y=8x-13.25 相關(guān)系數(shù)：r=0.94。

小試件（180 d）與小試件（28 d）的抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線：y=1.653 94x+0.386 16 相關(guān)系數(shù)：r=0.93。

3）配比3 大試件（180 d）與小試件（28 d）及小試件（180 d）與小試件（28 d）混凝土抗壓強(qiáng)度的關(guān)系曲線圖見圖6 和圖7。

大試件（180 d）與小試件（28 d）的抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線：y=2.173 08x+0.488 46 相關(guān)系數(shù)：r=0.99。

小試件（180 d）與小試件（28 d）的抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線：y=0.816 59x-1.715 38 相關(guān)系數(shù)：r=0.85。

4）配合比1 大試件（180 d）與小試件（28 d）的抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線中r 值為0.96，配合比2 的抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線中r 值為0.94，配合比3 的抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線中r 值為0.99；配合比1 小試件（180 d）與小試件（28 d）的抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線中r 值為0.97，配合比2 的關(guān)系曲線中r 值為0.93、配合比3 的關(guān)系曲線中r 值為0.85，以上六條抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線中r 值均大于0.707，依據(jù)《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（DL/T5150-2001）中附錄J 回歸分析2.2 中，規(guī)定“r大于0.707（a=5%）時(shí)，直線有意義”，所以該六條直線都有意義。

圖6 大試件180 d 與小試件28 d 抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線

圖7 小試件180 d 與小試件28 d 抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線

8 結(jié)論

本次試驗(yàn)通過對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的TBM 開挖材料進(jìn)行翻曬、篩分、清洗等一系列處理，直接用于膠凝砂礫石配制低強(qiáng)度混凝土，經(jīng)過對(duì)大、小混凝土試件抗壓強(qiáng)度的相關(guān)性分析，得出以下結(jié)論：

1）TBM 洞挖料直接用于膠凝砂礫石配制低強(qiáng)度混凝土可行；

2）可以利用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d 小試件抗壓強(qiáng)度推斷同條件養(yǎng)護(hù)180 d 大試件抗壓強(qiáng)度和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d小試件抗壓強(qiáng)度推斷同條件養(yǎng)護(hù)180 d 小試件抗壓強(qiáng)度并配以少量大試件進(jìn)行驗(yàn)證，來控制混凝土質(zhì)量，為工程質(zhì)量控制提供依據(jù)；

3）膠凝材料（水泥30 kg/m3、粉煤灰40 kg/m3）低于80 kg/m3，在不摻外加劑的情況下，配制低強(qiáng)度混凝土不予以實(shí)現(xiàn)。